Những phát triển mới nhất của công nghệ bán dẫn transistor 10nm

Các khoa học gia của IBM vừa hé lộ những khám phá mang tính đột phá trong nghiên cứu của hãng, làm nền cho việc sản xuất những loại chip máy tính nhỏ hơn, nhanh hơn và mạnh hơn nữa. Các nhà nghiên cứu giới thiệu 3 trình diễn: chip trên nền graphene, 1 loại transistor mới với chiều dài kênh xử lý dưới 10 nm và bộ nhớ sử dụng công nghệ Racetrack.


Chỉ trong khoảng 50 năm nay mà các loại chip xử lý đã thu nhỏ rất nhiều và sức mạnh thì tăng khủng khiếp. Tuy vậy, các nhà thiết kế chip dường như đang phá bỏ giới hạn vật lý theo Định luật Moore nổi tiếng. Hầu như các thiết bị hiện nay đều được thiết kế dựa trên công nghệ CMOS (complementary-symmetry metal–oxide–semiconductor), bởi vậy nhu cầu tìm ra những vật liệu mới và những thiết kế kiến trúc mới phù hợp với quy trình chế tạo, vượt qua những giới hạn của transistor silicon là rất cấp bách.

Sau những năm dài những bước tiến của khoa học chỉ được lưu trữ trong phòng lab, các khoa học gia của IBM đã tích hợp thành công, phát triển và ứng dụng những vật liệu và kiến trúc logic mới trên vào các wafer (vật liệu nền để sản xuất chip) đường kính 200 mm. Những đột phá này mang lại tiềm năng lớn làm hội tụ cả điện toán, truyền thông và điện tử tiêu dùng.

Quy trình sản xuất chip tóm lược



Wafer là vật liệu nền để đặt chip vào bên trong. Wafer thô được làm từ Silicon (làm từ cát biển . được tạo thành qua phương pháp xử lí gọi là Czochralski, thành những hạt tinh thể silicon nấu chảy, sau đó được kết hợp thành thỏi tinh thể silicon. Những thỏi tinh thể Silicon trong quá trình xử lí được tạo thành có kích thước 1m hoặc 2m dài và có đường kính 300mm ( 12 inch ) . Những thỏi này sau đó được cắt lát thành Wafer . Những Wafer này được đánh bóng và gửi tới nhà máy sản xuất Chip . Khi nói Wafer thô tức là wafer chưa đặt chip vào bên trong nó.

Video sản xuất chip và wafer


Phó giám đốc Khoa học Công nghệ tại IBM Research, T.C Chen cho biết: “Trong suốt tiến trình lịch sử, IBM vẫn luôn tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu khoa học để xác định những loại vật liệu và quy trình mới, không chỉ để nối dài công nghệ nhưng là để tạo ra 1 nền tảng công nghệ mới cho tương lai”.


Bộ nhớ Racetrack

Kiến trúc mẫu bộ nhớ Racetrack

Bộ nhớ Racetrack kết hợp cả những lợi điểm của ổ cứng từ tính truyền thống và bộ nhớ SSD để đáp ứng những đòi hỏi càng tăng tiến về bộ nhớ và giảm kích thước thiết bị. IBM đã chứng minh điều này là thực hiện được và các nhà nghiên cứu của hãng đã làm ra bộ nhớ Racetrack đầu tiên tích hợp công nghệ CMOS trên nền wafers 200mm. Phải nói đây chính là kết quả đỉnh điểm của cả 7 năm nghiên cứu.

Bộ nhớ công nghệ Racetrack: là 1 thiết bị nhớ kiểu non-volatile (tạm dịch: bộ nhớ tự chủ, thông tin vẫn còn được lưu giữ cho dù bộ nhớ không được cấp nguồn) được nghiên cứu và phát triển tại Trung tâm Nghiên cứu Almaden của IBM, bởi nhóm do nhà nghiên cứu Stuart Parkin dẫn đầu. Năm 2008, IBM trình diễn thành công phiên bản 3-bit. Nếu công nghệ này thành công thì nó sẽ mang lại những loại thiết bị lưu trữ mật độ cao hơn bộ nhớ dạng rắn (solid-state) kiểu flash và hơn loại ổ đĩa cứng dùng đĩa từ truyền thống, đồng thời có hiệu năng đọc / ghi cao hơn. IBM hi vọng dạng bộ nhớ này sẽ trở nên phổ thông trong tương lai.

Các nhà nghiên cứu đã trình diễn chức năng đọc lẫn ghi trên 1 dãy 256 đường rãnh từ ngang song song (in-plane, magnetized horizotal racetracks). Sự phát triển này tạo nền tảng để cải tiến mật độ và độ tin cậy của bộ nhớ Racetrack dùng kiến trúc đường rãnh từ trực giao (vuông góc) và kiểu 3D. Đột phá này có thể mang lại một nền tảng điện toán hướng dữ liệu mới (data-centric) giúp truy cập các thông tin lưu trữ nhiều hơn và nhanh hơn (trong khoảng 1 phần tỷ giây).

Graphene

Wafer của chip graphene IBM


Những chip nền graphene tương thích kiến trúc CMOS lần đầu tiên xuất hiện sẽ nâng bước tiến của truyền thông không dây, hiện thực hóa những thiết bị tần số cao mới, có thể họat động dưới những điều kiện phát xạ và nhiệt độ khắc nghiệt, ứng dụng vào y khoa và an ninh.

Một mạch tích hợp graphene – bộ khuyếch đại tần số có thể hoạt động được ở mức 5GHz và vẫn chạy ổn định ở nhiệt độ 200°C. Độ ổn nhiệt còn cần phải nghiên cứu thêm, tuy vậy những kết quả ban đầu cũng đã hứa hẹn những mạch graphene có thể chạy được ở môi trường nhiệt độ cao.

Kiến trúc mới mang cấu trúc transistor graphene ở trên đầu. Thay vì cố gắng đặt cổng điện môi trên những bề mặt graphene trơ, các nhà nghiên cứu đã phát triển 1 cấu trúc cổng nhúng mới lạ cho phép tích hợp tối đa trên 1 wafer 200mm.

Carbon Nanotubes (tạm dịch : ống nano carbon)
Transistor dưới 10nm của IBM

Các nhà nghiên cứu của IBM cũng trình diễn transitor đầu tiên có chiều dài kênh xử lý dưới 10 nm, hiệu năng vượt xa những loại transistor nền silicon tốt nhất.

Loại transistor này hứa hẹn ứng dụng rất rộng rãi từ sản xuất pin mặt trời cho tới màn hình, và những máy tính mới trong vòng 1 thập kỷ tới sẽ dùng transistors chiều dài kênh xử lý dưới 10 nm. Ở mức độ dài kênh như thế này, công nghệ transistor silicon thông thường khó mà chạy được cho dù có sử dụng những kiến trúc mới và tân tiến tới cỡ nào đi chăng nữa. Chiều dài kênh xử lý dưới 10 nm dùng ống carbon nanotube là 1 bước đột phá công nghệ cho những ứng dụng công nghệ điện toán của tương lai.

Đột phá này gắn liền với việc cải tiến tốc độ chuyển đổi trạng thái (ở trạng thái mở) và lần đầu tiên cho thấy carbon nanotubes có thể cải tiến cả tốc độ ngay ở trạng thái ngắt.